Основные способы улучшения коммутации

Постоянного тока и способы улучшения коммутации

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. В результате возникает искрение на коллекторе. Причины искрения разделяют на механические, потенциальные и коммутационные. Механические причины обусловлены нарушением электрического контакта между щеткой и коллектором (слабое прижатие щеток к коллектору, его негладкая поверхность, загрязненность поверхности и т.д.). Потенциальные причины искрения вызваны проявлением реакции якоря. В секциях якорной обмотки ин­дуктируются эдс, которые отличаются друг от друга. Это приводит к увеличению сверх допустимого значения напряжения между соседними коллекторными пластинами (16 – 20 В). Промежутки между коллекторными пластинами перекрываются дугами, которые постепенно сливаются в круговой огонь. Возникает перекрытие коллектора, приводящее к его износу. Коммутационные причины искрения возникают при физических процессах в машине и связаны с переходом секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую. Согласно стандартам искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки. Коммутация счи­тается хорошей, если искрение незначительно [2].

Неудовлетворительная коммутация возникает из-за добавочного тока коммутации

, (6.16)

где – реактивная эдс, индуцируемая в коммутирующих секциях за счет взаимной индуктивности и явления самоиндукции секций; – эдс вращения, наводимая в коммутирующих секциях магнитной индукцией в зоне коммутации за счет реакции якоря; – электрическое сопротивление щетки току .

Для улучшения коммутации машины необходимо уменьшить величину добавочного тока коммутации. Это достигается:

— уменьшением реактивной эдс в коммутирующих секциях;

— компенсацией магнитодвижущей силы реакции якоря по геометрической нейтрали и оси полюсов;

— смещением щеток с геометрической нейтрали.

Щетки выбираются в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. От типа щеток, их вольтамперных характеристик зависит скорость протекания коммутационных процессов. Улучшение коммутации определяется также политурой коллектора – тонкой оксидной пленкой на поверхности коллектора, обладающей повышенным электрическим сопротивлением.

Уменьшение реактивной эдс в коммутирующих секциях достигается применением обмоток с укороченным шагом ( ), сокращением числа витков в секциях обмотки якоря, использованием щеток шиной не более чем в 2 – 3 коллекторных деления [2].

Улучшения коммутации по геометрической нейтрали достигается установкой добавочных полюсов (рис. 6.25). Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их число равно числу главных полюсов или меньше в 2 раза. Магнитодвижущая сила добавочных полюсов направ­лена против магнитодвижущей силы поперечной реакции якоря . При этом требуется не только компенсация , но и создание коммутирующего поля для компенсации реактивной эдс . Об­мотка добавочных полюсов включается последовательно встречно с обмоткой якоря. Компенсация величин и , зависящих от тока нагрузки, происходит автоматически.

За главным полюсом данной полярности по направлению вра­щения якоря в режиме генератора должен следовать добавочный по­люс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавоч­ный полюс той же полярности (рис. 6.26). Для уменьшения рассеяния обмотку добавоч­ных полюсов размещают как можно ближе к якорю. Добавочные полюсы обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине при нагрузках не превышающих номинальную. При перегрузке машины происходит насыщение магнитной цепи этих полюсов и коммутация ухудшается.

В мощных быстроходных машинах постоянного тока, которые работают в режиме интенсивных нагрузок, применяется компенсационная обмотка (рис. 6.25). Она предназначена для компенсации поля якоря под главными полюсами машины. Компенсационная обмотка расположена на поверхности главных полюсов в па­зах, обращенных к якорю, и включена последовательно встречно с его обмоткой. Магнитное поле главных полюсов машины практически не зависит от ее нагрузки [1].

В машинах до 1кВт без добавочных полюсов улучшение коммутации достигается смещением щеток с геометрической нейтрали по ходу вращения у генератора и против хода вращения у двигателя. Этот способ улучшения коммутации применим в нереверсируемых электрических машинах, работающих с неизменной нагрузкой. Для снижения влияния помех на электрическую сеть из-за коммутации используют проходные конденсаторы.

Процессы коммутации в машинах постоянного тока сложны. Для их исследования применяются теоретический анализ и различные экспериментальные методы [35].

При отклонении коммутации от прямолинейной токи в комму­тируемых секциях создают дополнительную реакцию якоря, которая называется коммутационной. В генераторном режиме при прямолинейной коммутации размагничивающее и подмаг­ничивающее действие коммутируемой секции одинаково (рис. 6.27,а). В среднем за период коммутации эта реакция якоря не проявляется.

При замедленной коммутации (рис. 6.27,б) длительность размагничивающей силы реакции якоря больше длительности намагничивающей реакции якоря. Результирующая коммутационная реакция якоря получается размаг­ничивающей. При ускоренной коммутации (рис. 6.27,в) – коммутационная реакция якоря намагничивающая. В двигательном режиме эти процессы носят обратный характер [1].

Источник

Способы улучшения коммутации

Для создания хороших условий коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения.

Ниже рассмотрены способы обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации, ограничивающих добавочный ток коммутации, что по (6.6) возможно уменьшением ЭДС или увеличением сопротивления цепи коммутируемой секции. Эти способы сводятся к созданию коммутирующей ЭДС с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали, уменьшению реактивной ЭДС (ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции), увеличению сопротивления щеточных контактов.

Основным способом улучшения коммутации в современных машинах постоянного тока является создание коммутирующего магнитного поля с помощью добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между гла-вными полюсами (рис. 6.4) и крепят болтами к ярму индуктора. МДС добавочных полюсов должна быть направлена против МДС реакции якоря , чтобы скомпенсировать ее и создать коммутирующее поле для компенсации реактивной ЭДС . При отсутствии компенсационной обмотки > , а при наличии ее > . В последнем случае требуемая величина меньше, так как основная доля реакции якоря компенсируется компенсационной обмоткой.

Обмотки добавочных полюсов включают так, чтобы за главным полюсом данной полярности по направлению вращения якоря в режиме генератора следовал добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности.

Так как величины и пропорциональны току якоря, то для их компенсации и также должны быть пропорциональны току якоря. Для этого обмотку добавочных полюсов соединяют последовательно с якорем, а добавочные полюсы выполняют с ненасыщенной магнитной системой. Поэтому при номинальной нагрузке в них допускается индукция не больше 0,8 – 1,0 Тл. На отдельных участках ярма индуктора магнитные поля главных и добавочных полюсов складываются, поэтому во избежание насыщения этих участков индукция главного поля в ярме должна быть не более 1,3 Тл. Сердечники добавочных полюсов изготовляют массивными из стальной поковки или из листовой стали.

При относительно малом полезном магнитном потоке, добавочных полюсов их МДС приходится брать большой, так как значительная часть расходуется на компенсацию . По этой причине коэффициент рассеяния добавочных полюсов велик: s = 3 – 5 при отсутствии компенсационной обмотки и s = 2 – 3 при наличии ее. Для уменьшения рассеяния обмотку добавочных полюсов размещают ближе к якорю, подразделяя при необходимости воздушный зазор на две части путем создания второго немагнитного зазора между ярмом и сердечником добавочного полюса с помощью немагнитных прокладок.

Добавочные полюсы применяют в машинах мощностью более 0,3 кВт. Обычно число добавочных полюсов равно числу главных. В машинах мощностью до 2 кВт иногда делают половинное число добавочных полюсов.

В машинах мощностью несколько десятков Ватт добавочные полюсы не ставят. Коммутирующее поле при этом можно создать путем сдвига щеток с геометрической нейтрали, благодаря чему в зоне коммутации начинает действовать поле главных полюсов. Чтобы индуктируемая этим полем ЭДС в коммутируемой секции имела правильное направление, поле главных полюсов в зоне коммутации должно быть направлено против поля реакции якоря. Для этого в генераторе щетки необходимо повернуть в сторону вращения , а в двигателе — наоборот.

Если поток главных полюсов изменяется пропорционально току якоря (машины с последовательным возбуждением), то при определенном фиксированном положении щеток можно достичь хороших условий коммутации в широком диапазоне изменения нагрузки. Если же , то наилучшие условия коммутации достигаются только при одной, определенной нагрузке. Установку щеток производят на глаз, наблюдая за искрением.

Снижение величины реактивной ЭДС также способствует улучшению коммутации. Численное значение ЭДС

(6.I7)

Уменьшение А в (6.17) нецелесообразно с точки зрения использования материалов, а величины и определяются номинальной мощностью машины. Следовательно, ограничение зависит от возможностей уменьшения и . В машинах мощностью более 50 кВт всегда . Уменьшить можно за счет ослабления взаимной индукции между коммутируемыми секциями, что достигается укорочением шага на величину одного зубцового деления и применением ступенчатой обмотки, выбором отношения К/р , равным нечетному числу, уменьшением отношения глубины паза к его ширине, применением уравнителей первого рода. Перспективно применение беспазового якоря в машинах постоянного тока. В таком якоре обмотку укрепляют на его поверхности (машины с гладким якорем) или на специальном немагнитном стакане (машины с полым якорем). В последнем случае значительно повышается быстродействие машины, как за счет значительного снижения момента инерции, так и за счет снижения индуктивности обмоток. Существенно улучшаются условия коммутации. Уменьшается также и реакция якоря. Недостатком этих машин является значительное увеличение немагнитного зазора между полюсом и якорем, что ведет к утяжелению системы возбуждения.

Увеличение сопротивления «петушков» приводит к уменьшению КПД машины и не может быть рекомендовано как средство улучшения коммутации. Существенным является подбор щеток с надлежащими характеристиками. При тяжелых условиях коммутации лучше работают твердые графитные щетки с повышенным сопротивлением переходного контакта. В этом случае электрические потери в переходном контакте и механические потери больше. Щетки с круто поднимающейся вольт-амперной характеристикой благоприятны с точки зрения уменьшения плотности тока на сбегающем краю щетки и способствуют улучшению коммутации. Медно-графитные щетки, обладающие малым переходным сопротивлением, применяются только в машинах на напряжение до 25-30 В.

При резко переменной нагрузке эффективной мерой улучшения коммутации является применение компенсационной обмотки, которая предотвращает опасность возникновения кругового огня, а также улучшает условия действия добавочных полюсов.

Источник